6061鋁合金瓷質(zhì)陽極氧化工藝研究

陳　梁，廖重重

（比亞迪股份有限公司，廣東　惠州　516000）

材料化學(xué)

6061鋁合金瓷質(zhì)陽極氧化工藝研究

陳梁，廖重重

（比亞迪股份有限公司，廣東惠州516000）

采用草酸鈦鉀法在6061鋁合金薄板上制備瓷質(zhì)陽極氧化膜，通過調(diào)整電解液溫度，氧化時(shí)間及電壓等獲得了裝飾效果良好的乳白色膜層，最佳工藝條件為：電解液溫度為40℃、時(shí)間為40 min、電壓為100 V，該條件下制備的膜厚為27 μm，硬度為279 HV，L值為79，G值為12。該電解液不含有重金屬、磷酸等污染物質(zhì)，安全環(huán)保。

鋁合金；瓷質(zhì)陽極；乳白色

0　引言

鋁合金表面裝飾的工藝技術(shù)較多，如：陽極氧化、微弧氧化、電泳、電鍍等等，本文主要研究的是瓷質(zhì)陽極氧化，在鋁合金表面得到乳白色氧化膜層，這種膜層不透明，可以遮蓋產(chǎn)品表面的小缺陷，因此瓷質(zhì)陽極氧化對(duì)產(chǎn)品表面的加工質(zhì)量要求相對(duì)較低，氧化膜具有仿瓷釉效果，瓷質(zhì)陽極又稱仿瓷釉陽極氧化，該方法能夠得到硫酸陽極氧化所得不到的乳白色[1]。瓷質(zhì)陽極氧化電解液主要種類有：氧化鋯類、鉻酐類及草酸鈦鉀類等[2-3]。

本實(shí)驗(yàn)選擇草酸鈦鉀類電解液，該電解液相對(duì)安全環(huán)保。瓷質(zhì)陽極氧化膜同樣為納米孔結(jié)構(gòu)，具有較好的吸附性，能夠染各種顏色。與常見硫酸陽極氧化膜層結(jié)構(gòu)不同的是瓷質(zhì)陽極氧化膜納米孔為樹枝狀結(jié)構(gòu)[4-5]，文獻(xiàn)指出瓷質(zhì)陽極呈現(xiàn)出乳白色與其樹枝狀納米結(jié)構(gòu)有關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)采用草酸鈦鉀法來研究瓷質(zhì)陽極氧化工藝，探討氧化液溫度、電解時(shí)間及電壓對(duì)氧化膜外觀和性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料及試劑

本實(shí)驗(yàn)采用6061鋁合金為材料，其主要成分如表1所示：

表1　6061鋁合金成分表

實(shí)驗(yàn)試劑：草酸鈦鉀（AR）、草酸（AR）)、硼酸（AR）、檸檬酸（AR）、封孔劑（ODM SEAL R—5）。

試樣尺寸為70 mm×100 mm的鋁薄板，所使用的電源為穩(wěn)壓電源：200 V，20 A，由佛山市杰創(chuàng)科技有限公司提供，掛具為鈦合金材質(zhì)。氧化槽帶有自動(dòng)控制溫度系統(tǒng)。

1.2實(shí)驗(yàn)流程及方法

本實(shí)驗(yàn)主要包括前處理、瓷質(zhì)陽極氧化、封孔等處理，其具體工藝流程和步驟如下圖所示：

圖1　瓷質(zhì)陽極氧化制備流程

其中，除油、堿蝕、中和及化拋為前處理，主要為了保證產(chǎn)品表面的清潔度和光澤。所用藥品如下，堿蝕：NaOH，中和:HNO3，化拋：H3PO4＋H2SO4，瓷質(zhì)陽極：如表2所示，封孔:ODM SEAL R-5。

通過優(yōu)化調(diào)試氧化時(shí)電解液的溫度，電解時(shí)間及電源輸出電壓來制備外觀性能優(yōu)異的瓷釉氧化膜。

1.3檢測方法

膜厚:將試樣進(jìn)行切片，通過金相顯微鏡（蔡司光學(xué)儀器國際貿(mào)易有限公司，Axio Imager Alm型）觀測并測量厚度。

L值:膜層L值指膜層的深淺，值越大膜層越白，所使用的儀器為SP64積分球式分光光度儀。

G值:使用A-4460光澤儀測量膜層的光澤，測試角度:60°，測量區(qū)尺寸：9 mm×15 mm。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1電解液溫度對(duì)氧化膜的影響

實(shí)驗(yàn)所采用的電解液如表2所示，以溫度為變量，分別取值為：30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃。

表2　瓷質(zhì)陽極氧化工藝參數(shù)

從圖2中可以看出：隨著氧化溫度的上升，膜層越來越厚，當(dāng)溫度大于45℃后膜層厚度基本沒有變化，達(dá)到了生長與溶解平衡。雖因溫度的升高，膜層厚度增加了，但膜層納米孔內(nèi)的腐蝕卻增大了，使得膜層整體致密性降低，因而硬度從270 HV持續(xù)的下降到239 HV，整體硬度相對(duì)硫酸陽極氧化膜低，該條件下瓷質(zhì)陽極膜層硬度在210～270 HV內(nèi)。

圖2　膜厚隨溫度變化

從圖3中可以看出:色差儀檢測值L隨著溫度的增加逐漸變大，也就說明膜層隨著溫度上升變得越白。瓷質(zhì)陽極膜層呈現(xiàn)出白色的原因在于氧化膜納米孔為樹枝狀結(jié)構(gòu)。

圖3　L值隨溫度變化

2.2氧化時(shí)間對(duì)氧化膜的影響

因電解液溫度高于45℃后氧化膜表面出現(xiàn)明顯局部粉化現(xiàn)象，故溫度設(shè)定在40℃，草酸鈦鉀濃度為15 g/L，以氧化時(shí)間為單因子變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，時(shí)間分別設(shè)定為：30 min、40 min、50 min、60 min、70 min。

圖4　膜厚隨時(shí)間變化

圖5　硬度隨時(shí)間變化

從圖4和圖5中可以看出：隨著時(shí)間的延長膜層越來越厚，但在50 min之后厚度變化不大，保持在35 μm左右，此時(shí)膜層的生長與溶解幾乎達(dá)到平衡。從硬度與時(shí)間曲線上可以看出在40 min時(shí)硬度最高，值為279 HV，隨后出現(xiàn)了下降，其原因可能是膜層太厚使得產(chǎn)品表面產(chǎn)生過多的焦耳熱，導(dǎo)致氧化膜越來越疏松。

圖6　L值隨時(shí)間變化

從圖6中可發(fā)現(xiàn)：雖然氧化時(shí)間從30 min增加到了70 min，但L值幾乎保持在78～81之間，變化并不大，說明30～70 min區(qū)間內(nèi)的氧化時(shí)間對(duì)L值幾乎沒影響。膜層的L值主要取決于納米孔的分支結(jié)構(gòu)，L值變化不大的原因可能在于氧化膜的納米孔結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大的變化。

2.3氧化電壓對(duì)氧化膜的影響

根據(jù)上階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，固定氧化時(shí)間為40 min，討論氧化電壓對(duì)膜層外觀及性能的影響。電壓選擇從80 V到120 V。氧化溫度同樣恒定在40℃。

圖7　膜厚隨電壓變化

圖5　硬度隨電壓變化

從圖7及圖8中可以看出：隨著氧化電壓的升高膜層也越來越厚，但從硬度與電壓關(guān)系曲線中發(fā)現(xiàn)，硬度先上升后下降，在電壓為90 V時(shí)硬度最高，其值為285 HV。硬度先上升的原因在于電壓的升高提高了生長速率，使得膜層更加致密，之后硬度下降是由于膜層表面因電壓過高產(chǎn)生大量的焦耳熱使得膜層變得疏松，且可從產(chǎn)品表面可發(fā)現(xiàn)，在電壓為120 V時(shí)膜層表面明顯出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。

圖7　光澤度隨電壓變化

從圖9及圖10中可以看出：隨著電壓的升高，光澤越來越低，而L值越來越高。G值降低的原因在于膜層表面出現(xiàn)了粉化，電壓越高粉化越嚴(yán)重。L值反而上升的原因應(yīng)該在于氧化膜的納米孔分支越來越多。

圖7　L值隨電壓變化

3　結(jié)論

本瓷質(zhì)陽極氧化實(shí)驗(yàn)以草酸鈦鉀、草酸、硼酸及檸檬酸為電解液，探討了氧化電壓、時(shí)間及溫度對(duì)氧化膜外觀和性能的影響。通過驗(yàn)證得到最佳工藝條件為：氧化溫度為40℃、時(shí)間為40 min、電壓為100 V，該條件下制備的膜厚為27 μm，硬度為279 HV，L值為79，G值為12。

[1]曾華梁，吳仲達(dá).電鍍工藝手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：401-403.

[2]吳純素.化學(xué)轉(zhuǎn)化膜[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[3]張俊程.鋁及鋁合金的瓷質(zhì)氧化工藝[J].電鍍與精飾，1994，16(6):8.

[4]胥澤奇，殷明.槍用鋁合金陽極氧化膜耐曬性試驗(yàn)研究［J］.表面技術(shù)，2003，32（6）:17-19.

[5]李凌杰，李獲，張勝濤.稀土元素在鋁合金陽極氧化及其后處理工序中的應(yīng)用[J].表面技術(shù)，2001，30（2）:40-43.

Study of Ceramic Anodizing of 6061 Aluminum Alloy

CHEN LiangLIAO Chong-chong
（BYD Company Ltd.，Huizhou，Guangdong 516000，China）

The oxide film of ceramic anodizing was prepared on the surface of 6061 aluminum alloy. The temperature of electrolyte，time of anodizing and voltage was adjusted to get write film.The best craft was ascertained:temperature of electrolyte was 40℃，time of anodizing was 40 min，the voltage was 100 V. The thickness of oxide film was 27 μm.The hardness of the film was 279 HV，Brightness was 79，Glossiness was 12.Heavy metal，phosphoric acid and anything else pollutant were not contained in the electrolyte.

aluminum alloy;ceramic anodizing;milky write

1006-4184（2016）4-0031-04

2016-01-25

陳梁（1976-），男，遼寧鞍山人，高級(jí)工程師，主要從事表面處理的研究。E-mail:chen.liang3@byd.com。